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Grundversuche zur Photovoltaik
Geräte  Auf Brettchen montiert: 3x Solarzelle 0,5 Volt / 400 mA, Solarmodul 4,5 Volt, Widerstand 100 Ohm, Leuchtdiode, Solarmotor ab 0,3 V / max. 0,1 A, Gold-Cap 1 F /  5,5 V, Glühbirne 3,5 V / 0,1 A 
4 rote und 4 schwarze Kabel mit Stecker 4 mm, Digital-Multimeter, Sonnenlicht oder 500 Watt-Lampe als Kunstlicht
Sicherheit   Vorsicht beim Umgang mit der 500 Watt-Lampe. Diese kann sehr heiß werden! Die Vorschriften beim Umgang mit einem Elektrogerät müssen eingehalten werden!

Diese Anleitung ist auch Bestandteil des Lernlabors Naturwissenschaften der Pädagogischen Hochschule Zentralschweiz (PHZ) Luzern. Dort können die entsprechenden Experimente durchgeführt werden. Ein Arbeitsblatt für Schüler findet sich auf der CD-ROM Lernlabor Naturwissenschaften als Begleitmaterial.



Didaktische Bemerkungen

Die Grundversuche zur Photovoltaik können gleichzeitig als Einführung in die Elektronik und die elektronischen Schaltzeichen eingesetzt werden. Es bietet sich an, ein Stecksystem auf Holzplättchen selbst zu bauen, die elektronischen Bauteile dazu erhält man bei Conrad. Alternativ dazu eignen sich die fertigen Module mit Steckerbuchsen von >Lexsolar. Die Versuche sollen dazu anregen, dass sich die Schülerinnen und Schüler mit weiteren Forschungsaufträgen zum Thema Photovoltaik beschäftigen.


  


Die elektronischen Bauelemente werden auf Tischlerplatten im Format 10x10cm montiert. Für die 4mm-Steckbuchsen (wenn möglich aus Metall mit Gewinde) werden passende Bohrlöcher an den vorgezeichneten Markierungen gebohrt. Die Steckbuchsen werden ohne Schraubmutter mit dem Hammer eingeschlagen, so dass sie noch etwas herausragen. Anschließend wird das elektronische Bauelement aufgelötet oder auf das Plättchen geklebt, zum Schluss erfolgt das Verlöten der Kabelverbindungen.
 
 
Versuch 1: Polarität von SolarzellenEin Solarmodul wird gemäß der Zeichnung mit einem 100-Ohm-Widerstand und einer Leuchtdiode (LED) verbunden. Der Minuspol der LED (schwarz) wird mit dem Minuspol des Solarmoduls (schwarz) verbunden. Am Pluspol wird der Widerstand dazwischen geschaltet. Er begrenzt den Strom, damit die Leuchtdiode nicht zerstört wird.
 
 
   


Sobald eine starke Lichtquelle auf das Solarmodul fällt und die LED leuchtet, ist die elektrische Schaltung richtig angeschlossen.
  • Teste, was passiert, wenn die Leuchtdiode verkehrt herum angeschlossen wird.
  • Teste die Polarität mit einem Multimeter.
 
Versuch 2: Solarzellen liefern eine elektrische Spannung
 
Durchführung: Schließe eine einzelne Solarzelle an einen Verbraucher an, beispielsweise an einen Motor. Achte auf die richtige Polarität. Miss die Spannung, die am Motor anliegt: Stelle dazu das Messgerät auf den Bereich Volt (V). Die rote Anschlussbuchse des Messgeräts (V) wird mit dem Pluspol der Solarzelle verbunden, die schwarze Buchse (Com) des Messgeräts mit dem Minuspol.
 
 

 
  • Ergebnisse bei voller Lichteinstrahlung des Sonnenlichts und bei diffuser Strahlung.
  • Wie wirkt sich der Einstrahlwinkel aus?
  • Teste das Ergebnis bei Kunstlicht.
  • Was bewirkt das teilweise Abdecken der Einstrahlfläche?
 
Versuch 3: Reihenschaltung
 
Verbinde drei Solarzellen so, dass eine Reihenschaltung entsteht. Beleuchte die drei Solarzellen gleichmäßig. Miss zunächst die Einzelspannungen U1, U2 und U3 (in Volt) und dann die Gesamtspannung U. Wie ergibt sich die Gesamtspannung? Wie kann die Ausgangsspannung in einer Solaranlage erhöht werden?
 
 
 
 
 
Versuch 4: Messen der Stromstärke
 
Um die elektrische Leistung einer Solaranlage berechnen zu können, benötigt man neben der Spannung U (in Volt) auch die Stromstärke I (in Ampere), die im Stromkreis fließt. Hierzu muss das Messgerät in Reihe zwischen Solarzelle und Verbraucher geschaltet werden. Die schwarze Com-Buchse wird mit dem Minuspol der Solarzelle verbunden, die rote mA-Buchse dagegen mit dem Verbraucher. Achtung: Beim Messgerät muss zunächst immer der höchste Ampere-Messbereich eingestellt werden. Erst dann wählt man die mA-Einstellungen, wenn die Anzeige nicht ausreicht. Welchen Einfluss haben verschiedene Verbraucher auf die Stromstärke (Motor, Glühbirne)?
 
 
 
 
 
Versuch 5: Parallelschaltung
 
Schalte bis zu drei Solarzellen so zusammen, dass sie in Parallelschaltung Strom produzieren. Miss die Stromstärke im Stromkreis in mA. Untersuche was passiert, wenn man eine Solarzelle aus der Schaltung herausnimmt!
 
 
 
 
 
Versuch 6: Messen der elektrischen Leistung
 
Die elektrische Leistung in Watt (P) errechnet sich aus dem Produkt der Spannung in Volt (U), und der Stromstärke in Ampere (I):  P  =  U • I
 
Miss zuerst die Spannung, die am Verbraucher anliegt (Symbol V), dann die Stromstärke, die durch den Stromkreis fließt (Symbol A). Die gemessenen Werte müssen in Ampere umgerechnet werden: 1000 mA = 1 A.
 
 
 
 
 
a) Leistungsmessungen bei voller Lichteinstrahlung in der Mittagssonne
b) Leistungsmessungen in der Nachmittagssonne (ca. 16 Uhr)
c) Leistungsmessungen in der Abendsonne (vor dem Sonnenuntergang)
 

 
 
 
Versuch 7: Energiespeicherung
 
Damit die durch Photovoltaik gewonnene Energie auch nachts oder bei wenig Sonne genutzt werden kann, gibt es verschiedene Möglichkeiten, um die Energie zu speichern. Die einfachste Möglichkeit zum chemischen Speichern von Energie wäre das Laden einer wiederaufladbaren Batterie (Akkumulator oder kurz Akku). Als Alternative bietet sich der Einsatz eines großen Elektrolytkondensators (Elko) an. Ein sogenannter Gold-Cap ist ein Elko mit besonders großer Ladekapazität.
 
 
 
 
 
Der Gold-Cap muss zu Beginn ganz entladen sein. Entlade ihn zuerst mit Hilfe der Glühbirne (siehe unten).
 
Die dazwischen geschaltete Diode wirkt gleichzeitig als Ladeanzeige und als elektronisches Ventil. Sie verhindert, dass Strom aus dem geladenen Gold-Cap in die Solarzelle zurückfließt. Achte auf die richtige Polung der Diode. Baue die Diode in richtiger Polung ein.
 
Durch das Messen der Stromstärke (A) kann der Stromfluss während des Ladevorganges kontrolliert werden. Die Ladung ist beendet, wenn die Leuchtdiode ausgeht und kein Strom mehr im Stromkreis fließt.
 
Nach dem Laden kann eine Glühbirne mit dem Gold-Cap für kurze Zeit gespeist werden. Probiere es aus!
 
 

 
 
Weitere Arbeitsanregungen
  • Bau eines speziellen Gerätes, das die Vorteile der Solarenergie nutzt
  • Bau einer Einheit zum Speichern von Energie
  • Welche technischen Verbesserungen sind im Hinblick auf Energieeffizienz am Schulhaus möglich?
  • Konstruktion eines Solarkraftwerks als Bauplan oder als Modell
  • Erstellen eines Funktionsmodelles für eine öffentliche Ausstellung
  • Umfragen in der Öffentlichkeit zum Thema und Umsetzung der Ergebnisse
 
Weitere Informationen

Notwendigkeit der Nutzung erneuerbarer Energien
Photovoltaik und Farbstoffsolarzellen
Farbstoffsolarzellen selbst bauen
 
 
Bezugsquelle der Materialien

www.lexsolar.de (Fertigmodule), erhältlich im Lehrmittelbedarf, bei Klüver & Schulz oder bei awyco.ch
www.conrad.de (Rohmaterial zum Selbstbau)
Experimentiersets bei Amazon bestellen
 
 
Literatur

Arbeitskreis Schulinformation Energie Hg. (ohne Datum): Unterrichtsanregungen Lehrerheft und Schülerheft 11. Experimente zur Photovoltaik, Frankfurt a.M.
Bundesministerium für Wirtschaft Hg. (1995): Broschüre Erneuerbare Energien, Bonn
Energie-Versorgung Schwaben AG Hg. (ohne Datum): Broschüre Erneuerbare Energien. Strom von der Sonne. Stuttgart
Stempel, Ulrich E. (2010): 50 Experimente mit Solarenergie, Poining
Sochaczevski, Avi und Mahler, Peretz (1989): Sonnenenergie. Anleitung zum Experimentierkasten, Kibutz Yasur/Israel
 
 
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